Transformando el Prototipado: El Poder de las Herramientas Impresas en 3D

Cuando discutimos el papel de la impresión 3D en el mundo de la fabricación, a menudo consideramos las formas en que la fabricación aditiva podría eventualmente reemplazar técnicas tradicionales. De hecho, muchos desarrolladores de hardware AM comercializan efectivamente su maquinaria como un reemplazo directo para cosas como máquinas CNC o sistemas de moldeo por inyección.

Pero la impresión 3D también puede usarse para complementar tecnologías existentes como mecanizado CNC, moldeo por inyección, fabricación de chapa metálica, extrusión y fundición.

Esto es porque los sistemas AM —ya sean tecnologías metálicas industriales como DMLS o tecnologías plásticas como FDM o SLS— pueden usarse para crear herramientas impresas en 3D para estos procesos, acelerando y/o mejorando la producción para ofrecer mejores resultados.

Este artículo analiza cómo las herramientas impresas en 3D están moldeando el futuro del prototipado y la producción de bajo volumen. Discute diferentes tipos de herramientas impresas en 3D, por qué son útiles y qué materiales están disponibles.

Tipos de herramientas impresas en 3D

Las herramientas es un término general utilizado para describir varios mecanismos de fijación, soporte o conformado utilizados en la fabricación. Las herramientas para una pieza pueden consistir en uno o varios componentes, y generalmente se fabrican con un material robusto como acero para herramientas.

La impresión 3D puede usarse para fabricar varios tipos de herramientas. Sin embargo, algunos componentes son más fáciles de fabricar que otros, y algunos solo pueden fabricarse usando equipos AM de alta gama.

1. Moldes

Un molde es un tipo de recipiente hueco que se llena con un material para fabricar piezas. La fabricación de moldes se logra típicamente mediante mecanizado, pero la impresión 3D —acoplada con materiales resistentes a la temperatura— se está volviendo una opción viable para ciertas piezas.

Los moldes impresos pueden requerir rectificado de superficie extenso u otros tratamientos superficiales antes de estar listos para su uso, pero la velocidad con la que pueden fabricarse se está convirtiendo en una gran ventaja para empresas de prototipado.

Según la empresa alemana AM EOS, "La capacidad de producir incluso las estructuras más complejas con alta calidad y tiempos de producción cortos significa que la impresión 3D... ofrece claras ventajas para la fabricación de moldes."

2. Utillajes (Jigs)

Un utillaje (jig) es un dispositivo de sujeción de trabajo personalizado utilizado para mejorar la consistencia de las piezas durante la fabricación. Se usa típicamente para guiar y controlar el movimiento de una herramienta de corte.

Las impresoras 3D se están volviendo cada vez más útiles para fabricar artículos personalizados como utillajes y fijaciones, ya que el proceso es económico para piezas únicas.

Los fabricantes de utillajes y fijaciones impresos en 3D también pueden reducir drásticamente los plazos de entrega, especialmente si la impresión se realiza internamente.

3. Fijaciones (Fixtures)

Una fijación es un dispositivo de sujeción de trabajo personalizado utilizado para asegurar una pieza de trabajo durante la fabricación, típicamente mecanizado. A diferencia de los utillajes, las piezas de trabajo suelen ser únicas para las piezas que se fabrican, en lugar del equipo de fabricación.

Los utillajes y fijaciones pueden imprimirse en 3D en metal o en plásticos de ingeniería como TPU o nailon reforzado con fibra de carbono.

4. Matrices de extrusión

Las matrices son placas de acero grueso con aperturas conformadas. En el proceso de extrusión, un material es forzado a través de la abertura de la matriz, creando una pieza larga con una sección transversal que coincide con la apertura de la matriz.

Al igual que los moldes, las matrices se fabrican típicamente en materiales resistentes a la temperatura como el acero, que se están volviendo más fáciles de imprimir con procesos como DMLS y SLM.

Ventajas de las herramientas impresas en 3D

Canales de refrigeración conformados

En procesos como el moldeo por inyección, los canales de refrigeración se usan para inyectar refrigerante alrededor de un material fundido para que se enfríe y endurezca uniformemente. Esto ayuda a prevenir deformaciones y defectos en la pieza moldeada.

En moldes ordinarios, los canales suelen ser líneas rectas debido a la dificultad de mecanizar formas más complejas. Pero la impresión 3D permite la creación de canales de refrigeración conformados: canales que siguen los contornos de la pieza para que cada área de la pieza sea impactada por igual por el refrigerante.

Según el especialista en AM metálico Desktop Metal, "Las piezas con diseños complejos y estructuras internas —como canales de refrigeración conformados para moldes personalizados— son ideales para la fabricación aditiva donde el tiempo de fabricación y el costo por pieza no dependen necesariamente de la complejidad del diseño."

Fabricación rápida

La impresión 3D es un proceso rápido, con un tiempo mínimo de configuración o preparación requerido. Esto permite la producción rápida de herramientas —y para re-herramientas inmediatas si una herramienta se rompe o requiere alteración.

Aunque las herramientas impresas en 3D aún están en su infancia y no son favorecidas por la mayoría de fabricantes (o clientes), ya se están volviendo importantes para el prototipado rápido, donde las consideraciones de tiempo de entrega se priorizan sobre otros factores.

Las herramientas impresas en 3D tendrán un gran impacto en el futuro del prototipado simplemente porque demuestran acelerar los procesos de prototipado tradicionales.

Asequibles y eficientes

Las herramientas pueden ser muy costosas, especialmente si se necesitan varios componentes o el diseño es especialmente complicado. La impresión 3D puede reducir el costo de las herramientas, ya que un diseño complejo e intrincado puede fabricarse casi tan rápido como uno simple.

La AM también es eficiente en términos de uso de material, ya que no implica cortar material de desecho de una pieza de trabajo.

Al final, cualquier solución alternativa que reduzca drásticamente los costos de una etapa de prototipado finalmente jugará un papel cada vez más importante en el proceso de prototipado.

El fabricante de impresoras 3D Markforged dice que está "viendo fabricantes capaces de imprimir en 3D entre el 10-50% de sus herramientas duraderas utilizadas en su proceso", lo que representa "un valor significativo al considerar que el ahorro promedio de costo de una pieza impresa en 3D vs una mecanizada es del 80%."

Pueden usarse para diferentes procesos

Las herramientas impresas en 3D pueden usarse para varios procesos de fabricación únicos, incluyendo:

• Fundición a presión
• Moldeo por inyección
• Extrusión
• Mecanizado CNC
• Fabricación de chapa metálica

Mejores materiales AM para herramientas

Acero para herramientas

El acero para herramientas es un acero duro adecuado para aplicaciones de fabricación exigentes. Debido a su dureza, lleva mucho tiempo mecanizarlo con precisión.

Sin embargo, algunas tecnologías de impresión 3D metálica pueden imprimir el material, lo que crea oportunidades para imprimir en 3D artículos como moldes de inyección. La empresa industrial AM EOS produce una gama de polvos de acero para herramientas imprimibles en 3D, incluyendo acero Maraging y acero para herramientas 1.2709.

Inconel

Procesos como DMLS y SLM pueden usarse para imprimir herramientas con aleaciones de níquel Inconel. Inconel es resistente a altas temperaturas, lo que lo hace adecuado para una gama de aplicaciones de herramientas, incluyendo moldeo y extrusión.

Compuestos

Compuestos como nailon reforzado con fibra de carbono o PEEK pueden servir como reemplazo de metales de alta resistencia al fabricar herramientas impresas en 3D como utillajes y fijaciones.

Termoplásticos de ingeniería

La empresa de impresión 3D Stratasys recomienda fabricar ciertos utillajes y fijaciones con materiales FDM de alto rendimiento como TPU, nailon reforzado, o ASA.

3ERP es un especialista en prototipado rápido con años de experiencia en mecanizado, fabricación aditiva y otras disciplinas. Contáctanos para una cotización gratuita.